12月15日，光子計(jì)算芯片公司曦智科技（Lightelligence）發(fā)布了其最新高性能光子計(jì)算處理器：PACE（Photonic Arithmetic Computing Engine，光子計(jì)算引擎）。該處理器單個(gè)光子芯片中集成超過(guò)10,000個(gè)光子器件，運(yùn)行1GHz系統(tǒng)時(shí)鐘，運(yùn)行特定循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)速度可達(dá)目前高端GPU數(shù)百倍。

曦智科技創(chuàng)始人兼CEO沈亦晨博士在MIT（麻省理工學(xué)院）的主要研究方向便是光子AI計(jì)算，并與Nicholas Harris一起在2017年《自然-光學(xué)》發(fā)表論文（Deep learning with coherent nanophotonic circuits），。談到將光路應(yīng)用于機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)，比如語(yǔ)音和圖像識(shí)別。他們的設(shè)計(jì)被評(píng)為“代表了使用光的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最關(guān)鍵構(gòu)建塊之一的真正并行實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)代代工廠可以輕松地批量制造這種類(lèi)型的光子系統(tǒng)。”這意味著芯片的光子計(jì)算機(jī)可能會(huì)成為一個(gè)市場(chǎng)巨大的業(yè)務(wù)，每個(gè)要使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行決策的設(shè)備都會(huì)用到一個(gè)光子計(jì)算機(jī)。

而后便創(chuàng)立了曦智科技，與MIT的朋友、師長(zhǎng)一起組成了創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)，主要精力都集中在科研成果的轉(zhuǎn)化上。至今4年多的時(shí)間里，一步一步將這項(xiàng)技術(shù)從最初的實(shí)驗(yàn)室，轉(zhuǎn)化到一個(gè)接近于可以商業(yè)量產(chǎn)的階段。

沈亦晨表示，自2012年后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大小和計(jì)算模型的大小出現(xiàn)了爆炸式的增長(zhǎng)。2012年以后，平均每3到4個(gè)月，計(jì)算模型的大小就會(huì)翻一倍。和2012年相比，我們現(xiàn)在最大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型大概是當(dāng)時(shí)的15到30萬(wàn)倍左右，目前模型的增長(zhǎng)還在持續(xù)，但是明顯受制于算力底層的限制，制約了人工智能的進(jìn)一步發(fā)展。

如今電子芯片發(fā)展面臨的三個(gè)主要瓶頸在于算力、數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)三個(gè)方面。

算力瓶頸主要來(lái)源于兩方面，第一個(gè)方面是摩爾定律。在過(guò)去近50年里，晶體管的密度可以每18到20個(gè)月翻一倍。這也是大家通常所說(shuō)的28納米、12納米、7納米、5納米的支撐。如今已經(jīng)發(fā)展到5納米的芯片可以量產(chǎn)，臺(tái)積電日后也會(huì)推出3納米的芯片。從物理角度來(lái)講，其實(shí)一個(gè)原子大小就有接近0.3納米，3納米的制程實(shí)際上已經(jīng)非常接近物理極限，所以納米的支撐再向前演進(jìn)也不可能像過(guò)去50年那樣不斷翻倍；第二個(gè)算力限制主要是功耗和發(fā)熱角度。2015年后，隨著晶體管越來(lái)越小，面臨著比較嚴(yán)重的問(wèn)題，就是晶體管上的隧穿現(xiàn)象。就算晶體管變小了，功耗也不能顯著降低，這也是電子芯片進(jìn)一步提高算力的主要破瓶頸，算力瓶頸直接決定了單位面積電芯片上能做的計(jì)算密度，已經(jīng)很難再提高了。進(jìn)一步提高算力的唯一辦法就是擴(kuò)大電芯片的面積，但芯片面積越大，在數(shù)據(jù)傳輸上的功耗就會(huì)顯著增長(zhǎng)，功耗的比例也會(huì)越來(lái)越大。這是從本質(zhì)上制約了我們用一塊更大的電芯片去完成算力突破的一個(gè)主要原因。

如今用光代替電解決部分計(jì)算，成為了突破現(xiàn)有破瓶頸的有效途徑。在數(shù)據(jù)搬運(yùn)上，光已經(jīng)在光通信領(lǐng)域充分證明其領(lǐng)先性和優(yōu)勢(shì)了。目前所有長(zhǎng)距離通信，包括數(shù)據(jù)中心里服務(wù)器和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)都是通過(guò)光纖代替銅導(dǎo)線進(jìn)行的。光進(jìn)入到芯片去幫助運(yùn)算是一個(gè)必然的方向。

另外，如今大數(shù)據(jù)、人工智能越來(lái)越多都是在做現(xiàn)行計(jì)算，曦智科技也發(fā)現(xiàn)了用光高校做線性計(jì)算的方式。光子芯片的高通量、低功耗、低延時(shí)等特點(diǎn)，在未來(lái)的計(jì)算處理器市場(chǎng)有著廣闊的前景。

?PACE處理器的結(jié)構(gòu)由光芯片和電芯片兩部分組成。電芯片上主要做數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和數(shù)模混合的調(diào)度，光芯片上主要做數(shù)據(jù)的計(jì)算。最后，光和電芯片會(huì)做3D封裝技術(shù)倒裝的堆疊。通過(guò)重復(fù)矩陣乘法和巧妙利用受控噪聲組成的緊密回環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)低延遲，從而生成伊辛問(wèn)題（Ising）和最大割 / 最小割問(wèn)題（Max-cut / Min-cut）的解決方案。

PACE包含64x64的光學(xué)矩陣，核心部分由一塊集成硅光芯片和一塊CMOS微電子芯片以3D封裝形式堆疊而成。對(duì)于每個(gè)光學(xué)矩陣乘法，輸入向量值首先從片上存儲(chǔ)中提取，由數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬值，通過(guò)電子芯片和光子芯片之間的微凸點(diǎn)應(yīng)用于相應(yīng)的光調(diào)制器，形成輸入光矢量。接著，輸入光矢量通過(guò)光矩陣傳播，產(chǎn)生輸出光矢量，并達(dá)到一組光電探測(cè)器陣列，從而將光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。最后，電信號(hào)通過(guò)微凸點(diǎn)返回到電子芯片，通過(guò)跨阻放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器返回?cái)?shù)字域。測(cè)試顯示，PACE的運(yùn)算速度可達(dá)目前高端GPU的數(shù)百倍。

曦智科技創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官沈亦晨博士表示：“PACE的發(fā)布具有里程碑式的意義：它成功驗(yàn)證了光子計(jì)算的優(yōu)越性，為集成電路產(chǎn)業(yè)提供了新的發(fā)展路徑。此外，它還充分展示了光子芯片與傳統(tǒng)電子芯片無(wú)縫協(xié)同的運(yùn)作方式，而這一切要?dú)w功于曦智科技光電封裝團(tuán)隊(duì)的3D封裝創(chuàng)新。”

在此之前，全世界集成度最高的硅光產(chǎn)品大概只有幾個(gè)或十幾個(gè)光器件。為了做光計(jì)算，曦智科技需要把集成度提高三到四個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到幾萬(wàn)個(gè)光器件，這是在工程層面最大的挑戰(zhàn)。如果去設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的幾個(gè)光器件的芯片，還可以手動(dòng)完成芯片設(shè)計(jì)。但如果需要放幾萬(wàn)個(gè)器件在一個(gè)芯片上時(shí)，所有傳統(tǒng)芯片的設(shè)計(jì)模式可能就都沒(méi)有辦法用了，所有的東西都要做成自動(dòng)化，需要有一個(gè)自動(dòng)化檢測(cè)的過(guò)程。它在中間涉及到的問(wèn)題，包括設(shè)計(jì)本身、任何器件都不能出錯(cuò)。曦智科技相當(dāng)于從頭開(kāi)發(fā)了一個(gè)高集成度光芯片的整個(gè)設(shè)計(jì)流程。

另外，封裝方式的變化也充滿著挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)光芯片的每一個(gè)器件的控制都是通過(guò)銅導(dǎo)線外接到板卡上面，通過(guò)一個(gè)外部的器件去控制光芯片上的東西。但當(dāng)有上萬(wàn)個(gè)光器件在芯片上的時(shí)候，那些外接的封裝方式就沒(méi)有辦法適用，因此必須開(kāi)發(fā)出一種用一塊電芯片去控制光芯片的一套3D的封裝方式。

還有更進(jìn)一步，比如說(shuō)當(dāng)有幾萬(wàn)個(gè)光器件和電芯片一起深度協(xié)同的時(shí)候，發(fā)號(hào)施令的是電芯，那我們?cè)趺茨軌蛲瑫r(shí)給上萬(wàn)個(gè)光的器件去發(fā)號(hào)施令，并能夠在納秒的級(jí)別讓它統(tǒng)一有序地進(jìn)行運(yùn)算？這里就涉及到了軟硬集成，架構(gòu)層面的努力，這些都是相當(dāng)復(fù)雜的工程問(wèn)題，也是沈亦晨團(tuán)隊(duì)過(guò)去不斷在解決的問(wèn)題。

沈亦晨博士說(shuō)道：“未來(lái)，曦智科技將通過(guò)一個(gè)高集成、低功耗、不受摩爾定律限制的平臺(tái)進(jìn)一步為數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算、金融和自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域提供前所未有的算力，讓世界因‘光’而不同。”

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的最新光子计算处理器面世：单个光子芯片集成超万个光子器件，频率达1GHz的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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